Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Канализационные ресурсы улучшения памяти

Запоминающие устройства на мемристорах снимут ограничения для закона Мура

Водопроводная труба в определенном смысле запоминает, сколько воды через нее протекло. Этот принцип можно использовать в компьютерах, если подобрать хороший эквивалент в микроэлектронике. Фото (Creative Commons license): Waleed Alawadhi

Теоретические абстракции существуют даже в такой, казалось бы, «мертвой» науке, как ТОЭ — теории общей электротехники. К таковым абстракциям до недавнего времени относилась идея мемристора (memristor, от memory — «память» и resistor — «электрическое сопротивление»), которую в далеком 1971 году сформулировал 35-летний профессор кафедры электрической инженерии и вычислительной техники Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley) Леон Чуа (Leon O. Chua), филиппинский эмигрант китайского происхождения. Эта идея была сформулирована им в статье «Memristor — The Missing Circuit Element», опубликованной в издании Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) «Transactions on Circuit Theory».

Чуа предположил, что наряду с тремя классическими пассивными элементами электрических цепей — резистором, конденсатором и индуктивностью, — не обладающими усилительными функциями, должен существовать и некий гипотетический четвертый элемент. Если сопротивление резистора R — это коэффициент пропорциональности между силой тока i и напряжением v, ёмкость конденсатора C — между зарядом q (то есть интегралом i по времени) и v, а индуктивность L — между силой тока i и магнитным потоком φ (то есть интегралом v по времени), то этот четвертый элемент М будет устанавливать пропорциональность между зарядом q (то есть интегралом по времени) и магнитным потоком  (то есть интегралом v по времени). До сих пор элемента, который исполнял бы функцию «индуктоконденсатора», накапливая заряд в зависимости от магнитного потока, не было.

И, казалось бы, он никогда не смог бы появиться. Поэтому теоретическая работа Леон Чуа была воспринята коллегами как игра блестящего ума, демонстрирующая, что место для парадокса есть не только в квантовой механике.

Из теоретических выкладок молодого ученого следовало, что интегральный характер пропорциональности, устанавливаемой четвертым элементом, приводит к важным следствиям. Значки интеграла в правой и левой частях уравнения нельзя сократить, словно это просто численный коэффициент. Для него справедлив закон Ома — точно так же, как и для классического переменного проволочного резистора, сопротивление которого изменяется вращением ручки настройки по или против часовой стрелки. Но только (именно здесь проявляются его интегральные свойства) «ручку поворачивает» сам ток, через него протекающий, что и давало основание назвать элемент мемристором. Он запоминал, какой ток через него уже протек и насколько эта воображаемая ручка уже повернута.

Это свойство запоминать свою предысторию называется гистерезисом. Магнитный гистерезис использовался при построении запоминающих устройств на ферритовых сердечниках. Именно на этом принципе сейчас делаются жесткие диски. А чуть раньше — флоппи-диски.

О гипотезе Леона Чуа забыли всерьез и надолго. Однако весной этого года появилось сообщение, что в исследовательском центре компании Hewlett Packard, расположенном в Пало-Альто, группа ученых под руководством Стэнли Уильямса (R. Stanley Williams) разработала технологию изготовления мемристоров. И это сулит в обозримом будущем прорыв как в традиционной компьютерной технике, так и на поприще создания искусственного интеллекта.

Графическое пояснение к статье Дмитрия Струкова с соавторами в журнале «Nature». На схеме показано, как четыре электротехнических параметра — сопротивление (R), ёмкость (C), индуктивность (L) и мемрезистентность (M) — связывают между собой четыре электродинамических величины — электрический заряд (q), силу тока (i = dq/dt), магнитный поток (φ) и напряжение (v = dφ/dt). Мемрезистентные системы пока не сконструированы, однако их поведение можно имитировать при помощи микроскопических устройств, изготовленных с применением нанотехнологии. Иллюстрация: Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart & R. Stanley Williams

Сразу оговоримся, что это не меморезисторы в «чистом виде», изобретенные Леоном Чуа. В них и заряд не накапливают, и магнитное поле не создают. Это их микроскопические имитаторы, созданные при помощи нанотехнологии и моделирующие их поведение. И это прекрасно, поскольку у имитаторов куда больше прикладных перспектив, чем у самих «индуктоконденсаторов».

Главное, у них есть гистерезис. Гистерезисные запоминающие устройства выгодно отличаются от оперативной памяти на транзисторах тем, что они энергонезависимы. То есть, потребив порцию энергии в момент записи, они могут сколько угодно долго (с точки зрения не только морального старения оборудования, но и продолжительности человеческой жизни) хранить информацию, будучи полностью обесточенными. С физической точки зрения процесс записи представляет собой ориентирование определенным образом доменов в ферромагнетиках под воздействием внешнего электромагнитного поля. После подачи записывающего импульса материал носителя информации сохраняет свое намагниченное состояние. Оно может быть изменено лишь после нового электромагнитного воздействия.

Мемристор также относится к данному типу элементов, хоть принцип запоминания информации в нем совсем иной — не электромагнитный, а «чисто» электрический. То есть мемристор изменяет свое сопротивление под воздействием приложенного к нему напряжения, которое вызывает протекание через него тока.

Нанотехнологические роды

Стэнли Уильямс пересекался в 70-е годы с «отцом» мемристора Леоном Чуа в Берклеевском университете. Именно в стенах этого заведения в 1978 году он получил докторскую степень в области физической химии. Затем он работал в Лаборатории Белла (Bell Labs) и в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (University of California, Los Angeles), занимаясь проблемами создания новых материалов для электронных компонентов.

В Пало-Альто он пришел в 1995 году, возглавив Лабораторию информационных и квантовых систем Исследовательского центра НР. Кстати говоря, под его началом работает наш бывший соотечественник — физик Дмитрий Струков, перебравшийся на Запад в начале перестройки.

Как утверждает Уильямс, изначально он не ставил перед собой достигнутую весной этого года цель. Лаборатория занималась проблемой создания нанорезисторов, сопротивление которых изменялось бы в зависимости от силы тока, пропускавшегося через «управляющие резисторы» в непосредственной близости. Между управляемыми и управляющими резисторами располагалась пленка двуокиси титана, являющегося изолятором.

Уильямс обнаружил, что при определенных условиях возникали малообъяснимые токи утечки. Которых быть не должно. В процессе мозгового штурма, в котором самое активное участие принимал и Дмитрий Струков, исследователи пришли к выводу о возможности построения мемристора за счет использования «чудесных» свойств нанопленки двуокиси титана — вещества, обладающего способностью быть то проводником, то изолятором (строго говоря — полупроводником с односторонней проводимостью).

И в 2008 году в лаборатории было получено семнадцать первых в мире мемристоров. Сейчас речь уже идет о миллионах и миллиардах мемристоров, «упакованных» в стандартный чиповский корпус. Причем они интегрированы в транзисторную структуру, изготовленную на основе КМОП технологии.

Мемристорная матрица представляет собой два слоя пересекающихся под прямым углом проводников, разделенных двухслойной пленкой двуокиси титана толщиной 5 нм (5×10–9 м). Верхний слой пленки — «нормальный». Нижний обеднен атомами кислорода, что делает его токопроводящим.

Американский физик Стенли Уильямс, не поверивший в невозможность создания мемрезистентных систем. Фото: HP Labs

Каждый мемристор находится в месте пересечения двух проводников, а его «рабочее тело» — участок нанопленки, разделяющий проводники, — в месте их перекрещивания.

В исходном состоянии сопротивление мемристора велико за счет того, что верхний — «нормальный» — слой пленки не проводит электрический ток. При подаче на мемристор напряжения начинается дрейф кислородных «дырок» из нижнего слоя в верхний. За счет этого верхний слой становится электропроводным, в связи с чем сопротивление мемристора уменьшается. В образце лаборатории НР это уменьшение тысячекратно.

Если от мемристора отключить напряжение, то его сопротивление сохранится, поскольку концентрация кислородных «дырок» в верхнем слое меняться не будет.

В случае подачи на мемристор обратного напряжения «дырки» будут дрейфовать в обратном направлении: они вернутся туда, откуда и пришли — в нижний слой. И сопротивление мемристора восстановится.

Поскольку электрический ток в нашем сознании неразрывно связан с процессом течения воды, то работу мемристора можно проиллюстрировать какой-либо «водопроводной» моделью. Уильямс сравнивает свое детище с трубой. При течении через нее воды в прямом направлении она расширяется. И после перекрытия вентиля остается в расширенном состоянии. Когда же воду пускают в обратном направлении, диаметр трубы уменьшается.

Эту модель можно конкретизировать. Предположим, в прямом направлении по трубе течет настолько грязная вода, что взвешенные в ней частицы оседают на стенках. В связи с чем внутренний диаметр трубы уменьшается. И, следовательно, её сопротивление водному потоку увеличивается. Вполне понятно, что после перекрытия вентиля накопившаяся «склеротичность» сохраняется. Если же с другого конца трубы пустить не воду, а растворитель, то через определенное время осадок смоется, и сопротивление трубы существенно снизится. При этом сопротивление линейно зависит от количества протекшей через трубу жидкости.

Именно так и работает мемристор. Его сопротивление также линейно зависит от величины пропущенного через него электрического заряда.

При этом необходимо отметить, что полученный в лаборатории НР «четвертый элемент» является лишь частным случаем математической модели мемристора Леона Чуа. Он работает не в аналоговом, а в дискретном режиме. То есть разработчиками реализованы лишь два состояния двухполюсника — «on» и «off». То есть «единица» и «ноль», которые используются в цифровой технике, оперирующей двоичными кодами. Компания НР сообщает, что создание мемристора для аналоговых цепей — дело будущего. О том, когда следует ожидать его наступления, ничего не сообщается.

Наномалыш подает большие надежды

Новый элемент в нынешней его реализации обладает рядом достоинств, что открывает большие перспективы при его использовании в построении электронных схем. Наиболее простое и очевидное их использование — построение на их базе запоминающих устройств, которые в обозримом будущем заменят все существующие в настоящий момент типы информационных накопителей.

Память на мемристорах (RRAM — Resistive RAM) является энергонезависимой. То есть она способна хранить информацию при отключенном питании сколь угодно долго. Наряду с этим время доступа к ней существенно ниже, чем у также энергонезависимых жестких дисков и flash-памяти. Сейчас время записи в RRAM составляет 50 нс, время же считывания определяется лишь параметрами внешней схемы. При этом, в отличие от flash-памяти, которая допускает лишь до 10 тыс. перезаписей, этот параметр у RRAM неограничен. И, следовательно, она может (и должна!) заменить всю иерархию компьютерной памяти (сверхбыстрая микропроцессорная кэш-память — оперативная память — долговременная память, в роли которой сейчас выступают жесткие диски). Вполне понятно, что «не уцелеют» все внешние носители информации — флешки и DVD.

Это дает возможность исключать потерю информации при внезапном отключении питания компьютера, поскольку вся оперативная информация сохранится. Что даст возможность при включении питания продолжить работу с прерванной команды процессора. К тому же не придется дожидаться окончания нудной процедуры загрузки операционной системы с жесткого диска.

Компания НР предполагает начать массовое производство флэш-памяти на мемристорах в 2012 году. Спустя четыре года начнется выпуск резистивной оперативной и резистивной долговременной памяти.

Так выглядит цепь из семнадцати мемристоров, сфотографированная с помощью атомно-силового сканирующего микроскопа. Фото: HP Labs

Ещё одно достоинство — меньшие габариты, чем у транзисторов. Учитывая то, что при построении запоминающего устройства один мемристор заменяет от 7 до 12 транзисторов триггерной памяти, выигрыш по габаритам должен быть существенным. При этом следует учитывать и низкое потребление энергии (соответственно, и её выделение), что позволит добиться ещё большей плотности компоновки, чем это возможно на настоящий момент.

Сейчас исследователи НР работают с матрицей, содержащей 100 млрд. кроссбаров (пересечений проводников) на 1 см². Это не предел. Существуют прогнозы, согласно которым компания будет выпускать flash-память на RRAM объемом в 200 Гбайт. Несомненно, дело дойдет и до накопителей емкостью в сотни терабайт, которые не надо будет охлаждать жидким азотом.

Вдохновленные успехом, сотрудники лаборатории Уильямса строят грандиозные планы относительно разнообразных применений новых элементов. Например, рассматривается возможности замены транзисторов мемристорами. И при этом дается почти утвердительный ответ. Если это произойдет, то логические цепи на основе двухконтактных элементов окажутся не только проще в отношении трассировки наноэлементов, но и приобретут новое свойство. По мнению Уильямса, они будут способны изменять свою структуру в процессе отработки алгоритмических процессов.

А это очень похоже на «работу» человеческого мозга. О возможности построения нейронных сетей на новых элементах в статье «Cortical Computing with MEMRISTIVE NANODEVICES» говорит сотрудник лаборатории Уильямса Грег Снайдер. По его словам, мемристоры должны стать «кирпичиками», из которых будет построен искусственный интеллект.

В общем, планы самые радужные, как это обычно бывает при нахождении принципиально нового решения какой-либо актуальной научно-технической проблемы. Дело доходит до того, что высказываются надежды на скорое создание мемоконденсатора и мемоиндуктивности. Что иллюстрируется классической фразой «Остапа несло».

Но как бы дело ни повернулось в будущем, можно смело утверждать, что промышленное производство памяти RRAM не за горами. Похоже, что мемристор, словно младенец из «Сказки о царе Салтане» Пушкина, действительно намеревается вышибить дно из бочки, ограничивающей дальнейшее действие закона Мура по экспоненциальному росту количества элементов в микропроцессоре.

Владимир Тучков, 29.10.2009

 

Новости партнёров